【模数电课程设计】波形发生器与计数器

通过测试，所有功能均已实现，且在原设计上在波形发生电路与脉冲计数显示电路间增加电压跟随器，可以起到了缓冲作用，减少前后级电路直接相连所带来的影响。测试出现的矩形波的周期为1.5s,设计要求周期为1s,；能够产生相应参数的三角波、锯齿波，且锯齿波周期可调，在误差允许范围内，整体上基本波形及其参数能满足设计要求。本设计仍存在一些可改进之处，R1可改用220KΩ电位器，由于电阻、电容等器件实际值与标称值

羊村懒哥

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羊村懒哥 · 2024-03-02 18:09:06 发布

第一章设计任务

1.1课程设计基本要求

首先，查找资料、确定课题的总体设计方案，画出总方框图。划分各单元电路功能，并进行各单元电路设计，得到总体电路原理图。方案报指导教师审核，提出修改意见。

其次，用multisim软件进行仿真，测试电路图是否正确。

再次，选择元器件型号，确定元器件参数。应用嘉立创EDA软件设计PCB图。

接着，制作电路板，完成焊接，根据硬件的测试方法及步骤进行调试，实现设计功能。

最后，完成一份设计报告。

1.2设计方案

该矩形波脉冲计数器由译码显示模块，波形发生模块，7805稳压模块，按键模块组成。LF347通过自激振荡产生矩形波，增加积分电路和电位器的调节实现三角波和锯齿波的产生。将输出的矩形脉冲作为时钟信号送入由两片74LS161构成的一百进制计数器，矩形波的输出端接入到74LS161低位片上的时钟端，并将计数值通过数码管进行显示。控制芯片功能引脚使计数器具有复位、启动、暂停等功能。由于各芯片供电电压不同，需增加7805电源模块输出+5V电压。通过CD4511译码器，完成BCD码到七段码的转换，送入数码管进行显示，整个电路板由电源电路进行供电。

1.3设计指标

利用运放电路设计矩形波脉冲计数器；
使用示波器观测占空比可调、周期为1S的矩形波，且波形完整不失真；
数码管可对矩形波进行0-99的计数显示
具有复位、启动、暂停等操作按钮；
使用示波器观测周期可调的三角波、锯齿波，且波形完整不失真。

第二章设计方案基本原理

2.1 矩形波发生电路原理

在方波发生电路中,利用二极管的单向导电性是电容正向和反向充电的通路不同，从而使它们时间常数不同，即可以改变输出电压的占空比,再经过积分就可以得到占空比可调的三角波，电位器和两个二极管的作用是将电容和放电的回路分开，调节充电和放电两个时间常数的比例。如果将电位器向下滑动,则充电时间常数减小,放电时间常数增大，于是输出端为高电平的时间缩短，低电平的时间增长。如图2-1所示，R1、R2与集成运放组成滞回比较器，电阻R和电容C组成充放电回路，稳压管VDz和电阻R3的作用是钳位，将滞回比较器输出电压稳定在正负Uz。

将上述的矩形波发生电路的输出端与积分电路的输入端连接即可得到占空比可调的的三角波发生电路。

图2-1 矩形波发生电路原理

2.2 计数器发生原理

图2-2 74LS161引脚图

图2-3 74LS161功能图

当CR＝0，则不管其他输入端（包括CP端）状态如何，四个数据输出端QA、QB、QC、QD全部清零。由于这一清零操作不需要时钟脉冲CP配合（即不管CP是什么状态都行），所以CR为异步清零端，且低电平有效，也可以说该计数器具有“异步清零”功能。

从功能表的第二行可知，当CR＝1且LD＝0时，时钟脉冲CP上升沿到达，四个数据输出端QA、QB、QC、QD同时分别接收并行数据输入信号a、b、c、d。由于这个置数操作必须有CP上升沿配合，并与CP上升沿同步，所以称那么该芯片具有“同步置数”功能。

从功能表的第三行可知，当LD＝CR＝1，CTr＝CTp＝1时，则对计数脉冲CP实现同步十进制加法计数；而从功能表的第四行可知，当CR＝LD＝1时，只要CTr和ENP中有一个为0，则不管CP状态如何（包括上升沿），计数器所有数据输出都保持原状态不变。因此，CTr和CTp应该为计数控制端，当它们同时为1时，计数器执行正常同步计数功能；而当它们有一个为0时，计数器执行保持功能。74LS161芯片中当CP=LD=EP=ET=1则实现计数功能。当CR=0S时，清0；当CR≠0时，可实现计数；当CR&LD=1时，EP或则ET=1可实现保持功能。

另外，进位输出QCC=CTr·Q0·Q1·Q2·Q3表明，进位输出端仅当计数控制端CTr＝1且计数器状态为15时它才为1，否则为0。

2.3 译码器工作原理

CD4511译码驱动显示电路将计数器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态，并且驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流，为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。可以直接驱动LED显示器。两片74LS161的QA，QD经过74LS00与非门后接入对应芯片的load端。CD4511和74LS161,数码管相连，完成BCD码到七段码的转换进而实现译码功能。

图2-4 译码显示电路功能

2.4 LM7805稳压电路原理

实现12V到5V的转变。稳压器是使输出电压稳定的设备。稳压器调压电路、控制电路、及伺服电机等组成。当输入电压或负载变化时，控制电路进行取样、比较、放大，然后驱动伺服电机转动，使调压器碳刷的位置改变，通过自动调整线圈匝数比，从而保持输出电压的稳定。7805是我们最常用到的稳压芯片了，他的使用方便，用很简单的电路即可以输入一个直流稳压电源，他的输出电压恰好为5v。

图2-5 7805三端稳压IC内部电路

2.5 数码管工作原理

按发光管的单元连接方式可分为共阳极数码管和共阴极数码管。

共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管，共阳极数码管在应用时将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。

共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极（COM）的数码管，共阴极数码管在应用时将公共极COM接到GND，当某一字段发光二极管的阳极为低电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阳极为高电平时，相应字段就不亮。七段数码管每段的驱动电流和其他单个LED发光二极管一样，一般为5~10mA，正向电压随发光二极管材料不同表现为1.8v~2.5v不等。

图2-6 数码管原理图

2.6 LF347芯片资料

LF347是一种常用的场效应管与双极型管兼容的单片四运放，其引脚排列如图126所示，其优点是高输人阻抗、高转换速率、内部失调电压可调节、低失调电流、低谐波失真、低噪声等;因此，lF347在高速积分电路、快速D/A转换电路、采样/保持电路和常规放大电路中被广泛选用。

LF347的主要特性参数包括供电电压±12V、差模电压增益为100dB、输入失调电压为3mV、共模抑制比为100dB、输人电阻1012Ω、转换速率13V/us、单位增益带宽4MHz。

图2-6 LF347引脚功能

图2-7 LF347引脚图和内部结构

第三章电路设计与参数论证

3.1矩形波发生电路设计

3.1.1 电路原理图

图3-1 矩形波电路原理图

3.1.2 波形发生原理

3.1.3 矩形波发生电路仿真图

图3-2 矩形波发生电路仿真图

(1)参数设计：

①RW=220K，R1=100K，R2=10K，C=0.1UF

②稳压管选择4.7V

③LF347选择±12V双电源供电

(2)实验后的教训：

①LF347电源正负极不要接反了，不然会烧芯片

②电容最好不要选择10UF，太大了，独石电容105，但是钽电容有极性，且易爆炸，比较危险。

3.2译码器、计数器电路设计

3.2.1 电路原理图

图3-3 译码器、计数器电路原理图

3.2.2 计数器电路仿真图

图3-4 译码器、计数器电路仿真图

3.3按键电路设计

3.3.1 电路原理图

图3-5 按键电路原理图

3.4LM7805稳压模块设计

3.4.1 电路原理图

图3-5 稳压模块电路原理

第四章调试过程及测试结果分析

4.1测试仪器

示波器，万用电表，直流稳压电源

4.2测试要点

4.2.1 示波器功能测试步骤

首先接入示波器自带的正弦波信号；
选择通道，选择耦合方式：直流耦合；
阻抗方式：测量板载信号时，使用1MΩ的输入阻抗
加入测量电压、周期测量量：VPP，周期；
学会手动测量，开启光标模式；
通过调整水平灵敏度和垂直灵敏度将波形显示在窗口。

4.2.3 上电注意事项

上电前先用万用表检查测试板电源与地是否短路；
检查电源表输出正负电压是否正确；
上电后测试各个芯片的电源及地端是否电压正常；
用示波器测试矩形波1S输出端是否正确，在示波器中VPP与周期值；
查看数码管计数是否计数正常，按键是否可实现清零、暂停功能。

4.2.4 遇到的问题及解决方案

无法输出1S矩形波：首先将后级电路芯片取下，然后测试运放的正负端引脚波形是否正确。运放负极（2脚）将输出周期性充放电信号；运放正极（3脚）将输出周期性矩形波。R3电阻的选取不宜过大，一般是选择100Ω-1000Ω

图4-1 波形发生器检验电路注意图

如果计数无法实现十进制计数，检查计数器如下输出。

图4-2 计数器检验电路注意图

如果数码管显示不正确，检查译码器输出：

图4-3 数码管显示电路注意图

4.3测试结果

占空比可调的矩形波

周期可调的三角波

锯齿波

第五章设计工作总结

5.1 成果总结

本设计仍存在一些可改进之处，R1可改用220KΩ电位器，由于电阻、电容等器件实际值与标称值存在误差，则可通过改变R1阻值使得输出矩形波周期精确为1s。参数方案及元器件选择仍有优化的空间。

5.2 心得体会

画PCB时一定要先检查原理图连线有无错误；
器件封装要选择正确，画图时检查器件有无镜像；
做实物图时，一定要检查有没有把电阻焊接错误；
测试前检查有无虚焊；
上电的时候一定要注意正负极，是否有输出。

参考文献

[1] 童诗白、华成英.模拟电子技术基础(第三版)[M].高等教育出版社，2018.

[2]王海光.数字电子技术基础(第二版)[M].西安电子科技大学出版社，2015.2.

[3]杨丰亮.电子技术实验（第二版）.[M].厦门大学出版社，2019.

附录

附录一：器件清单

序号	名称	型号及规格	数量
1	芯片	LF324	1
2	芯片	74LS161	2
3	芯片	74LS00	1
4	芯片	CD4511	2
5	芯片	LM7805	1
6	一位共阴数码管	C8093	2
7	直插电阻		若干
8	电位器	10K	1
9	电位器	50k	1
10	电阻	470	14
11	电位器	220K	1
12	二极管	1N4148	4
13	二极管	4.7V稳压管	4
14	瓷片电容	104	4
15	电解电容	47uF/25V	2
16	独石电容	105	1
17	IC座	14脚	2
18	IC座	16脚	4
19	排针	SIP2-2.54	12
20	端子	JK128-500-3P	1
21	端子	JK128-500-2P	1
22	按键开关		1
23	自锁开关		1